礦用軸流式風機無人監測控制系統的應用研究

雷金亮

（山西寧武大運華盛能源集團有限公司，山西 忻州 036700）

大運華盛礦屬于高瓦斯礦井，綜采作業時瓦斯的最大涌出量約為27.4 m3/t。該井下通風采用了對角混合抽出式，井下的局部風扇處選用的是2 臺FBDNO7.1/2*30 kW 對旋式局部風機，采用了一用一備的布置結構。風機在工作時的全壓運行范圍是600～6624 Pa，產生的風量范圍是480～650 m3/min。目前在對井下局部風扇運行狀態的監測主要采用了人工巡檢的模式，在井下設置了專門的機電組，安排3 人對礦井通風系統的運行狀態進行巡檢。但由于井下各個局部風扇的布置距離較遠，因此采用人工巡檢的模式巡檢效率低，當風機出現異常時無法及時進行處理，在巡檢過程中也難以發現風機運行時的隱含故障，難以滿足井下通風安全性的需求。

結合煤礦機電系統的升級改造，采用了一種新的礦用軸流式風機無人監測控制系統，以監測與控制技術為核心，將多傳感器監測及數據分析技術進行融合，實現了對風機運行狀態的自動監測及預警，能夠快速地對風機運行時的故障進行判斷和定位。

1 無人值守控制系統總體結構

風機運行無人值守的核心需求是將分散的風機進行集中控制[1]，能夠對風機運行時的狀態進行準確判斷，同時系統還能夠根據所監測到的井下的環境狀態，對風機的運行參數進行調整，當風機出現運行異常時，能夠第一時間進行故障分析、故障定位和故障預警。因此本文所提出的風機運行狀態無人值守控制系統采用遠程監測、中央管理、現場監測及調節的控制架構，其整體結構如圖1 所示[2]。

（1）現場監測及調節

由圖1，該系統的現場監測及調節部分主要包括了風機運行參數監測和風機運行狀態調節兩個部分。對風機運行參數的監測主要是通過各類傳感器設備及智能監測儀器，實現對風機運行時的機組振動情況、機組溫度情況、風機轉速、電機溫度的實時監測；風機的運行狀態調節部分，主要是通過啟動柜、風門電機啟停等，對風機的運行情況進行調節，滿足井下環境-風機運行狀態動態調整的需求。

圖1 風機無人值守控制系統結構示意圖

（2）中央管理

中央管理部分主要是包括了通信系統、工業計算機、視頻顯示單元等，主要是對現場監測單元的各類監測信息進行綜合及快速分析，及時、準確地確定風機的運行狀態。

（3）遠程監測

遠程監測部分主要是將監測結果顯示在監控中心處，便于監控人員能夠掌握井下的空氣狀態和風機的運行情況。系統還具有遠程控制功能，允許操作人員對風機的運行情況進行遠程調控，提高風機運行的靈活性和可靠性。

2 無人值守系統硬件結構

由于煤礦井下的工作環境比較惡劣，風機長期在高濕、高塵的環境下工作，因此對無人值守系統的工作可靠性和監測精確性提出了更高的需求。結合無人值守監測系統的整體結構，本文所提出的無人值守系統的硬件構成如圖2 所示[3]。

圖2 風機無人值守控制系統硬件結構示意圖

由圖2 可知，該系統中的硬件結構部分主要包括了監控主機、PLC 控制模塊、信息交互模塊、風機運行參數采集模塊（傳感器）等。

（1）PLC 控制模塊

PLC 控制模塊是該硬件結構的核心，需要能夠對數據進行快速處理，因此選擇了西門子的SR-08型PLC 處理器，具有體積小、速度快、標準化程度高的優勢，且網絡通信能力較強，能夠實現數據的快速分析和調用。

（2）傳感器

傳感器主要包括壓力傳感器和溫度傳感器。壓力傳感器主要是對風機運行時的風壓和壓差進行監測，以便確定風機運行時的狀態是否符合通風系統的設定值。為了滿足監測可靠性的需求，選擇了APG-LC100 型風壓傳感器，能夠使用自身所攜帶的穩壓電源保證持續性的工作，因此具有較高的監測精度。對井下溫度的監測則選擇了GWWOS90 型數字傳感器，用于對井下巷道環境溫度、風機電機的表面溫度進行監測。該數字傳感器還具有溫度實時顯示和數據信息交互功能，滿足不同工況下的使用可靠性需求。

機械振動傳感器主要是對風機運行時的振動情況進行監測，能夠通過不同的振動頻率對風機運行時的機械故障進行快速判斷。考慮到風機在運行過程中本身就具有較大的振動，因此機械振動傳感器在選擇的時候不僅需要具有較高的監測精度，還需要具備雜波剔除和波形轉換功能。在綜合各類因素后選擇了GB20 型振動傳感器，其采用了壓電式振動檢測模式，具有尺寸小、安裝方便的特點。GB20傳感器的工作原理如圖3 所示[4]。

圖3 壓電式振動傳感器工作原理圖

（3）信息交互模塊

信息交互模塊采用了GSM-MODEM 型，能夠實現不同位置風機間數據信息的傳輸和共享，系統運行穩定性好，能夠保證在井下高電磁干擾環境下的使用可靠性需求。

（4）通信裝置

為了解決井下地質環境復雜、電磁干擾嚴重的問題，通信裝置采用了有線和無線相結合的數據通信結構。有線通信部分為CAN 數據總線，采用了雙通信回路，保證數據傳輸的效率和抗干擾性；無線通信部分則是以4G 無線網絡為主，無線基站的設置距離需要根據井下環境來靈活確定，以保證信號穩定性為原則。

3 風機運行故障診斷

礦用風機運行狀態監控系統的一個核心需求，是能夠及時對風機運行時的異常進行識別和預警，從而避免故障范圍的進一步擴大，把對通風系統運行安全的影響降低到最小，同時系統還需要具備風機運行狀態振動功能，根據診斷結果輸出風機“體檢”報告，便于工作人員能夠針對性地對風機進行維護，提高風機維護效率和有效性。

由于風機長期處在高惡劣環境中運行，受外界環境的影響較大，比如其他設備啟動時候的沖擊電流、綜采作業擾動等，會導致監測系統對風機運行時的狀態參數監測的不穩定性，而且由于井下電磁干擾現象的存在，會導致風機運行時的重要信號被干擾，因此為了提高風機運行故障診斷系統的可靠性，需要對各類監測信號進行消噪處理[5]，提高數字信號的信噪比，提高對風機運行狀態監測的準確性。該風機運行故障診斷流程如圖4 所示[6]。

由圖4 可知，該風機運行狀態故障診斷采用了閉環處理的控制模式[7]，通過傳感器來對風機的運行參數進行監測，然后在信號處理裝置內進行數據信息的處理，實現對風機運行情況的狀態識別。根據對風機運行參數的分析確定風機的故障類型、故障位置，然后進入到決策模式確定對風機運行狀態的調整要求，最后輸出決策干預信號，實現對風機運行狀態的調整。

圖4 風機運行狀態故障診斷系統邏輯示意圖

4 井下應用情況

自2021 年7 月至2022 年1 月，無人監測系統運行穩定，取消了井下3 人巡檢小組，風機在運行過程中能夠快速地確定異常參數并進行預警，實現了對風機運行異常的快速識別和定位、調整，將風機運行時的故障數量由最初的2.4 次/d，降低到目前的0.15 次/d，將故障率降低了93.4%。

5 結論

礦用軸流式風機無人監測控制系統運行結果表明：

（1）風機運行無人值守的核心需求是能夠對風機運行時的狀態進行準確判斷，當風機出現運行異常時，能夠第一時間進行故障分析、故障定位和故障預警；

（2）對各類監測信號進行消噪處理，提高數字信號的信噪比，能夠提高對風機運行狀態監測的準確性；

（3）該系統實現了風機運行的無人化控制，能夠將風機運行時的故障數量降低93.7%，對提升礦井通風系統的運行可靠性具有十分重要的意義。